伸长型气动柔性驱动器设计与实验

梁 正,武广斌

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

近20年，机器人和人工智能技术已应用到工业、农业、医疗康复、服务娱乐及宇航等领域，且应用领域越来越贴近人们的日常生活[1-2].柔性驱动器作为机器人驱动单元的核心部件，其柔性程度成为制约软体机器人发展的重要因素[3-4].当前，常用的柔性驱动器包括气缸、液压缸、线性电动机、电动缸等[5]，气动缸和液压缸的轴向位置和伸长量无法连续调节，并且它们尺寸大、柔性差、使用不灵活[6]；线性电动机和电动缸的轴向位置可控且精度较高，但其结构复杂、体积较大、缓冲能力较弱、人机共融难度较大且难以实现轻量化和小型化[7-8].

本文所研究伸长型“刚-柔耦合”气动柔性驱动器，具有轴向伸长量连续可调、驱动力可调、刚度可控等功能，能克服目前轴向驱动器体积大、柔性差、位置不可控等缺陷，有一定刚度能适应不同的工作环境，对软体机器人的发展具有重要的研究意义.

1 伸长型气动柔性驱动器结构设计

伸长型气动柔性驱动器如图1所示，硅胶管两端分别与上、下堵头机械连接形成密封腔体，上、下连接盖内部有螺纹槽，能与约束弹簧旋紧固定配合；上、下堵头分别与弹簧两端固定连接，上、下堵头留有螺纹孔，与上、下连接盖螺栓连接，上堵头设有螺纹孔连接气动接头.约束弹簧采用圆柱间隙螺旋弹簧，材料为65Mn，上、下连接盖采用ABS塑料由3D打印制作完成.柔性驱动器本体结构参数如表1所示.

(a)柔性驱动器三维图

(b)柔性驱动器实物图图1 气动柔性驱动器

表1 柔性驱动器本体结构参数

2 驱动器静力学实验

为研究约束弹簧刚度对伸长性驱动器静力学性能的影响，分别测量3种不同弹簧丝直径的驱动器，在0～0.34 MPa气压值范围内的伸长量、轴向驱动力以及在不同初始气压条件下的轴向驱动力.表2为3种约束弹簧几何参数与物理参数.

表2 约束弹簧几何参数与物理参数

2.1 驱动器伸长量实验

测量不同粗细弹簧丝制得的驱动器在气压值0～0.34 MPa范围内的伸长量.实验过程中使用的实验设备由气泵、精密减压阀、气压传感器和三维运动捕捉仪等组成，实验原理图为图2.

图2 驱动器伸长量实验原理图

将在不同气压值下(0～0.34 MPa)的实验数据进行处理，可得到3种不同粗细弹簧制得的驱动器伸长量的变化曲线图3.由图3可知，驱动器的伸长量随气压值的增加而逐渐增大，且呈现出一定程度的非线性.当气压值达到0.34 MPa时，弹簧丝直径为2、1.8和1.6 mm,驱动器伸长量分别为47.5、61和88 mm，伸长率为59.4%、76.3%和110%.

气压值/MPa图3 轴向伸长量-气压曲线图

图4为2 mm弹簧丝直径驱动器分别在0.1、0.2和0.3 MPa气压条件下为伸长状态.

(a)0.1 MPa

(b)0.2 MPa

(c)0.3 MPa图4 不同气压条件下的伸长状态

2.2 驱动器驱动力实验

测量不同粗细弹簧丝制得的驱动器在气压值0～0.34 MPa范围内的轴向驱动力.实验过程中使用的实验设备由气泵、精密减压阀、数显式推拉力计、固定座、XY移动台和气压传感器等组成.

实验方法是将驱动器一端与固定座连接，固定座安装在XY移动台上，将测力计固定在XY移动滑台上，实验过程中驱动器始终处于原长状态，调节滑台使测力计顶端与驱动器上端盖接触，逐步提高气压值，分别测量弹簧丝直径为2、1.8和1.6 mm时轴向驱动力大小，测量过程均采取面接触测量.实验原理图如图5所示，根据实验原理搭建实验系统装置,见图6.

图5 驱动力测量实验原理图

图6 轴向驱动力-气压实验图

将在不同气压值下(0～0.34 MPa)的实验数据进行处理，可得到3种不同粗细的弹簧制得的驱动器轴向驱动力的变化曲线(图7).

气压值/MPa图7 轴向驱动力-气压曲线图

由图7可知，驱动器的轴向力随气压值的增加而逐渐增大，且呈现出线性变化.当气压值达到0.34 MPa时，弹簧丝直径为2、1.8和1.6 mm的驱动器轴向驱动力为63.98、59.85和59.55 N.由曲线可知，3种轴向器驱动力大小有一定差别，主要由于硅胶管嵌套于约束弹簧内部时，间隙不一致造成.

2.3 驱动器不同初始气压条件下的轴向驱动力实验

测量不同粗细弹簧丝制得的驱动器在不同初始气压条件下，在气压值0～0.34 MPa范围内的伸长量.实验过程中使用的实验设备由气泵、精密减压阀、数显式推拉力计、固定座、XY移动台和气压传感器等组成.

实验方法是将驱动器一端与固定座连接，固定座安装在XY移动台上，将测力计固定在XY移动滑台上，逐步提高气压值，调节滑台使测力计顶端与驱动器端盖接触，调零测力计，测量驱动器的驱动力大小，测量过程均采取面接触测量.

将实验数据进行处理，关节初始气压由0到0.34 MPa，相邻不同初始气压间隔为0.04 MPa，分别测量关节在此条件变形下的驱动力与气压关系，可得到3种驱动器在不同初始气压值下的轴向驱动力的变化曲线(图8).由图8可知，在初始气压为0 MPa时，3种驱动器的驱动力最大，弹簧丝直径为2、1.8和1.6 mm的驱动器驱动力分别为63.98、61.85和59.55 N.

气压值/MPa(a)2 mm弹簧丝驱动器

气压值/MPa(b)1.8 mm弹簧丝驱动器

气压值/MPa(c)1.6 mm弹簧丝驱动器图6 3种驱动器不同初始气压下的轴向驱动力变化曲线

随着初始气压的增加，驱动器的最大驱动力递减.在相同气压下，驱动器的初始气压越大，驱动器的驱动力越小.在驱动器初始气压一致的情况下，驱动器的驱动力随气压的增加而递增.在测试驱动力实验中，在初始气压为0 MPa时，刚通入一定的压缩气体时，气囊未充分膨胀，驱动力与工作气压呈相关，待充满后驱动力随气压增加速率明显加快，变化曲线呈线性增大.

3 结 论

为研究不同刚度的约束弹簧对气动柔性驱动器静力学性能的影响，对3种不同弹簧丝直径的驱动器进行了伸长量-气压实验、轴向驱动力-气压实验和在不同初始气压下的轴向驱动力实验.实验结果表明：驱动器伸长量随工作气压的增大呈非线性增加，约束弹簧丝直径越小，驱动器伸长

量越大；伸长量为零时，驱动器具有的轴向驱动能力最大，不同刚度的驱动器最大驱动力相同，且随工作气压的增大呈正相关.在不同初始气压下，不同刚度的驱动器随着气压增加，驱动力变化趋势一致，呈正相关.

本文仅研究弹簧丝直径参数对驱动器静力学性能的影响，未深入研究约束弹簧螺距、圈数等结构参数对驱动器力学特性的影响.下一步将作综合考虑，优化设计出既能保证驱动器具有较强轴向变形能力，又具有较好的力学特性的结构参数，以支持该驱动器在农业采摘、康复医疗和家用服务等领域的应用.